CN216285780U - 一种定向探管的标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种定向探管的标定装置，包括用于形成零磁空间的金属空腔；置于金属空腔内部的励磁线圈和承载平台，承载平台用于承载待标定的定向探管；和励磁线圈相连接的主机，用于控制励磁线圈的励磁电流，以控制励磁线圈产生磁场；主机还用于采集定向探管中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据，以实现基于加速度数据和磁场数据对定向探管进行标定；其中，金属空腔为纯铝铸造形成的正多面体空腔。本申请中利用金属空腔屏蔽地球磁场的干扰，并利用励磁线圈产生磁场，从而能够更好的控制定向探管所在位置的磁场，有利于提高定向探管标定的准确性。

Description

一种定向探管的标定装置

技术领域

本实用新型涉及钻井测量工具领域，特别是涉及一种定向探管的标定装置。

背景技术

随钻测量系统是一种矿用钻孔轨迹测量工具，能够在钻井过程中进行井下测量及实现无线传输，利用钻柱中的泥浆脉冲将测量信息数据传输到地面。随钻测量系统中的定向探管是探测钻井的井斜、位置等信息的重要测量工具之一。定向探管中包含有3个测量方向两两正交的加速度传感器构成三轴加速度传感器；还包括3个敏感轴方向两两正交的磁通门。定向探管进行信息测量时，可以基于三轴加速度传感器和3个磁通门分别测得的重力加速度数据和地球磁场数据确定出钻井井斜、位置等信息。

但是定向探管中的加速度传感器的3个测量方向之间和磁通门的3个敏感轴方向之间，因为安装误差的原因往往均难以完全保证两两正交。3个加速度传感器和3个磁通门的敏感轴不正交以及零满偏误差是定向探管测量误差的主要来源。为了解决测量误差可以在硬件上进行机械校正，尽量调整使得3个敏感轴两两正交。但即使精心调校3个加速度传感器和3个磁通门传感器，也会由于安装的原因、测量的视觉误差等加工工艺和安装工艺水平的限制，使得传感器中3敏感轴不可能严格正交，3轴灵敏度及其他电气性能也不可能完全对称，无法避免因敏感轴不正交而引起偏差。

此外，还存在零点漂移、传感器内部干扰等影响，使得加速度传感器和磁通门在不同形态下，对同一重力场或者磁场测量的数值与实际值之间有误差。以磁通门为例，相关研究表明，即使磁通门中只有两个磁轴不正交，且其角度偏差仅1°，其余参数均为理想值，若不进行建模校正，其测量误差将达0.87％，再考虑其他参数后误差会更明显。

由此可见，如何消除定向探管中加速度传感器和磁通门的测量误差，对定向探管测量的准确性有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种定向探管的标定装置，有利于提高定向探管标定的准确性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种定向探管的标定装置，包括用于形成零磁空间的金属空腔；置于所述金属空腔内部的励磁线圈和承载平台，所述承载平台用于承载待标定的定向探管；和所述励磁线圈相连接的主机，用于控制所述励磁线圈的励磁电流，以控制所述励磁线圈产生磁场；所述主机还用于采集所述定向探管中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据，以实现基于所述加速度数据和所述磁场数据对所述定向探管进行标定；

其中，所述金属空腔为纯铝铸造形成的正多面体空腔。

可选地，所述金属空腔为正八边形拼接形成的正26面体。

可选地，所述金属空腔的腔壁包括2层铝板层和8层坡镆合金板层。

可选地，所述励磁线圈的中心轴沿竖直方向设置，用于当所述励磁线圈接通励磁电流时产生方向和重力方向平行的磁场。

可选地，所述承载平台设置在所述励磁线圈的内部。

可选地，所述承载平台为铝制无磁三轴可旋转平台。

可选地，所述金属空腔包括带有腔口的空腔本体和用于封闭所述腔口的腔门部件，其中，所述腔门部件和所述承载平台相连接；当所述腔门部件开启所述腔口时，所述承载平台可随所述腔门部件从所述金属空腔内部移出。

本实用新型所提供的一种定向探管的标定装置，包括用于形成零磁空间的金属空腔；置于金属空腔内部的励磁线圈和承载平台，承载平台用于承载待标定的定向探管；和励磁线圈相连接的主机，用于控制励磁线圈的励磁电流，以控制励磁线圈产生磁场；还用于采集定向探管中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据，以便实现基于加速度数据和磁场数据对定向探管进行标定；其中，金属空腔为纯铝铸造形成的正多面体空腔。

本申请中利用金属空腔为待标定的定向探管提供一个零磁空间，从而很好的屏蔽的地球磁场的干扰，在此基础上利用励磁线圈产生磁场，从而能够更好的控制定向探管在该零磁空间内所在位置的磁场大小和方向，在对定向探管的加速度传感器和磁场传感器进行标定时，即可更容易的获得定向探管所在位置准确的真实磁场数据和重力场数据，从而在根据定向探管中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据实现对定向探管的标定时，提供更准确可靠的真实磁场数据和重力场数据作为参照数据，有利于提高定向探管标定的准确性，进而提高定向探管在实际应用中测量数据的准确性。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的定向探管的标定装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的励磁线圈的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

对定向探管的标定实际上是对定向探管中磁场传感器和加速度传感器进行标定，或者说是校准。要实现对定向探管的标定，需要为定向探管提供一个同时存在重力场和磁场的空间，且为了可以和定向探管中加速度传感器以及磁场传感器测得的数据形成相互参照，以实现标定，还需要定向探管所在位置的真实重力场、真实磁场的大小方向是可以准确获知的。

对于重力场而言，其在地球上固定位置的重力加速度大小和方向基本是可以保证稳定不变的，因此重力场的大小和方向是比较容易获得的。而对于地球的磁力场而言其极易受周围环境的影响导致地球磁场不稳定，不利于对定向探管进行标定。

为了避免地球磁场对定向探管的标定产生干扰，可以考虑设置一组磁感线圈产生和地球磁场相互抵消的磁场，进而为定向探管营造一个零磁空间，实现定向探管的标定。但是同样受地球磁场的波动影响，对于地球磁场的波动情况是无法人为掌控的，也就无法通过磁感线圈实现对地球磁场的绝对抵消，从而导致无法保证定向探管标定的准确性的问题。

为此，本申请中利用金属空腔对环境的地球磁场产生屏蔽，进而为定向探管提供一个更好的零磁空间，即便环境中的磁场产生波动，也不会对零磁空间产生干扰，从而为定向探管的标定提供了良好的标定环境，有利于提升定向探管标定的准确性。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的定向探管的标定装置的结构示意图。该定向探管的标定装置可以包括：

用于形成零磁空间的金属空腔1；

该金属空腔1为利用高导磁率金属材料制备形成的密闭空腔。其中纯铝即是较为典型的高导磁率材料，可以采用纯铝铸造形成该金属空腔1。为了进一步地保证金属空腔1对磁场的屏蔽效果，对于金属空腔1的腔壁除了纯铝铸造形成的铝板层之外还可以进一步地包括坡镆合金板层，可以设定2层铝板层和8层坡镆合金板层相互贴合形成金属空腔1的腔壁。

此外，该金属空腔1还应当是多面体结构，能够尽可能的使得指向金属空腔1表面的磁场线发生偏折进而无法进入金属空腔1内部。由此金属空腔1的外表面形状波折越厉害，其最终的磁场屏蔽功能越好。该金属空腔1可以铸造形成正多面体空腔。例如该金属空腔1可以是利用正八边形拼接形成的正26面体。当然，可以理解的是，在实际应用中并不排除采用更复杂的正多边形形成更多侧面的正多面体。但对于正八边形拼接形成的正26面体对于磁场的屏蔽功能已经相当好了，而增加金属空腔1结构的复杂性，也在一定程度上增加金属空腔1的铸造成本，为此，可以选择采用正八边形拼接形成的正26面体结构作为金属空腔1的结构。

置于金属空腔1内部的励磁线圈2和承载平台3，承载平台3用于承载待标定的定向探管01。

和励磁线圈2相连接的主机，用于控制励磁线圈2的励磁电流，以控制励磁线圈2产生磁场。

因为金属空腔1对环境中的磁场进行了屏蔽，使得金属空腔1内壁形成零磁空间，也即是金属空腔1内部不存在磁场。为了实现对定向探管01中磁场传感器的标定，进一步地在金属空腔1内设置励磁线圈2，在对励磁线圈2通电之后，即可在金属空腔1中产生一个磁场，将承载平台3和定向探管01共同置于该磁场中，定向探管01中的磁场传感器即可测得相应的磁场数据。而定向探管01所在位置的真实磁场大小，显然可以基于励磁线圈2中的励磁电流运算获得。

为了简化真实磁场大小运算的复杂程度，应当尽可能的为定向探管01所在空间区域提供一个均匀稳定的磁场。为此，该励磁线圈2可以包含两组，显然，当两组励磁线圈2中通入的电流大小相同，且励磁线圈2的线圈匝数也相同，即可在两个励磁线圈2之间的空间区域形成均匀磁场，由此定向探管01也即可设置在两个励磁线圈2之间的位置。

当然，为了进一步地简化励磁线圈2的结构，也不排除仅仅只使用一个励磁线圈2，只要励磁线圈2的内径尺寸足够的大，以便可以容纳定向探管01和承载平台3即可。如图2所示，显然如图2中所示的励磁线圈2内部的磁场也是均匀的磁场，由此可以直接将承载平台3至于励磁线圈2的内部，即便承载平台3在该励磁线圈2中的位置存在移动，其所在位置的磁场大小方向都不会受到影响。

此外，在定向探管01中的三个加速度传感器的三个测量方向和三个磁场传感器的三个敏感方向一一对应平行，因此，在实际通过励磁线圈2产生磁场时，可以将励磁线圈2沿竖直方向设置，也即是励磁线圈2的中心轴沿竖直方向，由此使得所产生的磁场方向和重力场方向平行。

进一步地，为了更准确的实现定向探管01的校准，需要改变定向探管01和磁场以及重力场之间方位角度，使得定向探管01中加速度传感器和磁场传感器分别和磁场以及重力场之间呈多个不同方位角度下感应检测获得的加速度数据和磁场数据，进而保证基于加速度数据和磁场数据对定向探管01标定的准确性。

为此，为了改变定向探管01在金属空腔1中的位置和方向，本申请中的承载平台3可以设置为三轴可旋转平台，有为了避免承载平台3对励磁线圈2产生的磁场分布产生干扰，该承载平台3可以采用铝制无磁平台，优选地，可以采用红铝制无磁三轴可旋转平台。

对于承载平台3而言，其主要作用是承载定向探管01，并带动定向探管01进行位置和方向的移动，而要将定向探管01送入金属空腔1内，显然，需要在金属空腔1上设置开口。

在本申请的一种可选地实施例中，该金属空腔1可以包括空腔本体和用于封闭腔口的腔门部件。为了进一步地便于将定向探管01固定安装在承载平台3上，可以进一步地将用于承载定向探管01的承载平台3和腔门部件相连接。当腔门部件开启时，可以连带承载平台3从金属空腔1内部移出，此时即可方便工作人员将定向探管01固定在承载平台3上。

对于承载平台3和腔门部件之间的连接结构，可以在腔门部件上设置连接杆，连接杆一端连接腔门部件另一端连接承载平台3，且承载平台3还可以相对于连接杆旋转移动。

另外，对于金属空腔1而言，要保证其良好的屏蔽外部磁场的能力，其内部空腔的密封性至关重要。为此还可以进一步地在腔口上增设密封条；还可以将金属空腔1的腔口边缘和腔门部件的边缘设置可相互咬合的凹凸结构，例如台阶结构、锯齿结构等等，避免磁场线从腔口的缝隙中泄漏进入金属空腔1内部的问题，从而保证了金属腔体1良好的屏蔽效果。

主机还用于采集定向探管01中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据，以便根据加速度数据和磁场数据对定向探管01进行标定。

如前所述，对于定向探管01所在位置的磁场大小，可以通过通入励磁电流的大小以及励磁线圈2的线圈匝数等等运算获得，而定向探管01当前所在位置的重力场可以采用当地通用的标准重力场数据，由此，即可确定当前定向探管01所在环境更为准确的真实重力加速度和磁场；以此作为定向探管01中加速度传感器和磁场传感器分别测的加速度数据和磁场数据的真实参照数据，基于加速度数据和真实重力加速度之间的差异，以及磁场数据和真实磁场数据之间的差异，即可实现对定向探管01的加速度传感器以及磁场传感器之间的标定。

另外，采集定向探管01输出的多组磁场数据和加速度数据的条件之后，由在定向探管01所在空间位置的真实磁场数据和真实加速度数据已知的情况下，确定出真实值和测量值之间满足的转换关系，基于常规的类似于最小二乘法或者线性拟合等等方式即可确定出这一转换关系，也相当于真实值和测量值之间的对应关系，而确定出这一对应关系，也就实现了定向探管01的标定。因此，利用多组磁场数据和加速度数据以及真实磁场数据和真实加速度数据之后，实现定向探管的标定的运算过程，是基于已有的最小二乘法或者线性拟合等等方式能够实现，并不是本申请中的改进点，本申请中改进点在于利用纯铝铸造的金属空腔提供一个良好的零磁空间，使得定向探管标定所在位置的真实磁场数据能够更准确的获知，避免了地球磁场的干扰，进而为后续标定运算提供有效的理论依据，为此，本申请中的技术方案符合实用新型的保护壳体。

综上所述，本申请中利用纯铝铸造形成的正多面体空腔结构的金属空腔作为屏蔽环境磁场的屏蔽工具，从而在金属空腔内部形成一个良好的零磁空间，为定向探管的标定提供良好的无磁环境，由此通过励磁线圈在零磁空间产生磁场，即可利用励磁电流和磁场之间的对应关系更准确的确定定向探管所在位置的真实磁场；而在重力场恒定不变且已知的条件下，为定向探管在该磁场和重力场空间中的感应检测的磁场数据和加速度数据提供更准确的真实磁场和真实重力场数据作为参照，以便实现对定向探管更准确的标定，保证了定向探管标定的准确性，有利于保证定向探管在实际应用检测钻井数据的准确性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种定向探管的标定装置，其特征在于，包括用于形成零磁空间的金属空腔；置于所述金属空腔内部的励磁线圈和承载平台，所述承载平台用于承载待标定的定向探管；和所述励磁线圈相连接的主机，用于控制所述励磁线圈的励磁电流，以控制所述励磁线圈产生磁场；所述主机还用于采集所述定向探管中加速度传感器和磁场传感器分别测得的加速度数据和磁场数据，以实现基于所述加速度数据和所述磁场数据对所述定向探管进行标定；

其中，所述金属空腔为纯铝铸造形成的正多面体空腔。

2.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述金属空腔为正八边形拼接形成的正26面体。

3.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述金属空腔的腔壁包括2层铝板层和8层坡镆合金板层。

4.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述励磁线圈的中心轴沿竖直方向设置，用于当所述励磁线圈接通励磁电流时产生方向和重力方向平行的磁场。

5.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述承载平台设置在所述励磁线圈的内部。

6.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述承载平台为铝制无磁三轴可旋转平台。

7.如权利要求1所述的定向探管的标定装置，其特征在于，所述金属空腔包括带有腔口的空腔本体和用于封闭所述腔口的腔门部件，其中，所述腔门部件和所述承载平台相连接；当所述腔门部件开启所述腔口时，所述承载平台可随所述腔门部件从所述金属空腔内部移出。

Images